第01章 绪论 生物分离工程ppt
生物分离工程PPT课件
的分离纯化。
无论是以浓缩还是以分离为目的操作过程， 目标产物均应以较大的比例回收：
R FPCTP 100% FcCTC
生物分离操作多为间歇过程（分批操作）， 若原料液和产品溶液的体积分别为VC和VP 则回收率为
RVPCTP 100% VcCTC
分离效率的评价
• 浓缩程度 • 分离纯化程度 1. 回收率
上图表示一个连续稳态的分离过程，其中F表示流 速，c表示浓度；下标T和X分别表示目标产物和杂 质，C、P和W分别表示原料、产品和废料。
浓缩程度一般用浓缩率(concentration factor)表达， 是一个以浓缩为目的的分离过程的最重要指标。
•机械分离
分离操作
•传质分离。 传质分离的对象主要是均相物系，又分输送分离扩散分离。 输送分离根据溶质在外力作用下产生的移动速度的差异实 现分离，又称速度分离法，其传质推动力主要有压力差、 电位梯度和磁场梯度等，如超滤、反渗透、电渗析、电泳 和磁泳等。扩散分离根据溶质在两相中分配平衡状态的差 异实现分离，又称平衡分离法，传质推动力为偏离平衡态 的浓度差，如蒸馏、蒸发、吸收、萃取、结晶、吸附和离 子交换等。
• 物理性质 力学性质：重力、离心力、筛分； 热力学性质：状态变化、相平衡； 传质性质：粘度、扩散、热扩散； 电磁性质：电泳、电渗析、磁化。
• 化学性质 化学热力学：化学平衡； 反应动力学：反应速率； 光化学性质：激光激发、离子化。
• 生物学性质 分子识别：生物亲和作用、生物学识别； 输送性质：生物膜输送， 反应、响应、控制：酶反应、免疫系统。
为了得到一定纯度的生物产品， 下游加工过程需要采用多种方法、实行多步 分离操作，整个下游加工过程的总回收率为
生物分离工程ppt课件
Table 3 typical products from fermentation
products Antibiotics Amino acids
Ethanol Organic acids
Enzymes r-DNA protein
in
Concentration g/l 25 100 100 100 20 10
（生物技术的目标就是指利用培养微生物、动物细胞、植 物细胞来生产对人有用的产品。）
By this definition, biotechnology is as old as history, for the earliest known document (4228BC) includes a description of brewing .Bread ; cheese, and yogurt are other early examples of product which depend on biotechnology.
For example: 6steps 90% 53%
Biological products require high quality 生物产品要求高质量：
*purity（纯度） *sanitation（卫生） *biological activity（生物活性）
The recovery plant usually represents a major investment and, consequently the separations cost a substantial fraction of the total cost of the final product.
生物分离工程绪论幻灯片
设计前应了解的信息
1）在设计前，首先要掌握的产物物化性质，主要包括：
(1)溶解度及影响因素，包括温度、pH值、有机溶剂和盐等； (2)分子量和分子形状。对于高分子物质非常有意义； (3)沸点和蒸汽压。对于热稳定的小分子物质非常有意义； (4)极性大小； (5)分子电荷及影响因素，包括pH值和盐等； (6)功能团。功能团为萃取剂和特异性吸附的选择提供依据； (7)稳定性及其影响因素，包括温度、pH值、毒性试剂等(如青霉素低pH
HowБайду номын сангаас?
3)避免相同原理的分离技术多次重复出现
比喻，分子筛和超滤技术按分子量大小分离，重复应用 两次以上，意义就不大了。
4)尽量减少新化合物进入待分离的溶液。
A)、引起新的化学污染；B)、蛋白质的变性失活
5)合理的分离步骤次序。
原则是：先低选择性，后高选择性；先高通量，后低通 量；先粗分，后精分；先低成本，后高成本。
参
❖ 毛忠贵. 生物工业下游技术. 中国轻工业 出版社，1999
考 ❖ 欧阳平凯、胡永红. 生物分离原理与技
资
术，化学工业出版社，1999 ❖ 刘茉娥. 膜分离技术. 化学工业出版社，
料 2000 ❖ 张镜澄. 超临界流体萃取. 化学工业出版 社，2000
❖ 膜科学与技术
❖ 化工进展
❖ 生物工程学报
其他代谢物（几百上千种）、培养基成分、无机盐等。 5)生物活性物质的稳定性低。易变质、易失活、易变性，对温度、
pH值、重金属离子、有机溶剂、剪切力、表面张力等非常敏感。 6)产品的质量要求高，尤其是药品等。成品青霉素对其强致敏原 -
--青霉噻唑蛋白必须控制RIA值(放射免疫测定)小于100(1.5*106)，蛋白类药物(杂质<2%)、重组胰岛素(Humulin)中杂蛋白小 于0.01%。
生物分离工程 绪论
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分离纯化策略
生物分离纯化技术的特点 分离纯化方法选择的原则材料选择与成品保存 分离纯化的准备工作
D
重
点
分离纯化的基本步骤
E
F 分离纯化技术的综合运用与工艺放大 G
分离纯化的中试放大
H
生物药品生产工艺的验证
技 术 特 A 点
含量低 工艺复杂 环境复 仴 稳定性差 操作要求严格
核酸及其降解物类 动物器官或组织制剂
菌体制剂 小动物制剂
分离纯化技术 • 指从发酵液、动植物细胞培养液、 指从发酵液、动植物细胞培养液、 酶反应液或动植物组织细胞与体液 等中分离、纯化生物产品的过程。 等中分离、纯化生物产品的过程。
离 萃 心 膜 分 离
分离纯化技术
取 细胞破碎
固相析出分离 色 谱
4.快速发展时期(第三代生物技术产品) 4.快速发展时期(第三代生物技术产品) 快速发展时期 • 一般认为以20世纪70年代末崛起的 一般认为以20世纪70 20世纪70年代末崛起的 DNA重组技术及细胞融合技术为代表 重组技术及细胞融合技术为代表。 DNA重组技术及细胞融合技术为代表。 如乙肝疫苗、 如乙肝疫苗、干扰素等一批对人类十 分有益的高附加值的产品开始面世， 分有益的高附加值的产品开始面世， 生物下游技术领域的研究和开发力度 不断加大，推出新技术。 不断加大，推出新技术。
• 以青霉素产品的出现为代表。这一时期的 以青霉素产品的出现为代表。 特点是产品类型多，分子结构较为复杂， 特点是产品类型多，分子结构较为复杂， 对分离纯化提出了更高要求。 对分离纯化提出了更高要求。这期间引进 吸收了大量的近代化学工业的分离技术， 吸收了大量的近代化学工业的分离技术， 据报道有80 80％ 据报道有80％的化工单元操作技术被引进 生物工业。 生物工业。
生物分离工程(三版)课件
膜分离技术
1
授课内容
n 各种膜分离法及其原理 n 膜材料及其特性 n 膜组件 n 操作特性 n 膜的污染与清洗
2
学习目的和要求
在掌握各种膜分离方法和原理的基 础上，进一步了解膜特性及操作特点和 影响膜分离速度的因素以及膜分离过程。 清楚膜分离法在生物产物回收和纯化方 面的应用。
3
引言－膜的概念和膜分离
但膜表面极化浓度cm很难测定，通常只能测定料液的主体浓度 (bulk concentration)，因此常用表观截留率表示，
38
超滤膜的分子截留作用
n 截留曲线
通过测定相对分子质量不同的球形 蛋白质或水溶性聚合物的截留率， 可获得膜的截留率与溶质相对分子 量之间关系的曲线，为截留曲线。
n 截留相对分子量
15
超滤原理
n 超滤膜一般为非对称膜，具有较小的孔径 (约为10 一200Å)，能够截留分子量为0.5kDa以上的溶质分 子或生物大分子。料液在压力差作用下，其中溶剂 透过膜上的微孔形成透过液；而大分子溶质则被截 留，从而实现料液中大分子溶质和溶剂间的分离。
n 超滤膜对溶质的截留机理主要是筛分作用，超滤膜 的膜孔大小和形状决定超滤膜的截留效果。除此以 外，溶质大分子在膜表面和孔道内的吸附和滞留也 具有截留溶质大分子的作用。
n 渗透气化利用溶质之间膜透过性的差别，适于 共沸物和挥发度相差较小的双识记：膜材料选择标准 n 理解：膜结构特性，特别是对称和不对
称膜的结构特点 n 应用：通过水通量的不同选择适当的膜
材料
25
膜材料的要求
n 起过滤作用的有效膜厚度小，超滤和微滤膜的 开孔率高，过滤阻力小；
n 膜的概念 在一种流体相间有一层薄的凝聚相物
生物分离工程课件
第一章生物分离工程概述1.1生物分离在生物技术中所占位置1生化分离工程的定义：为提取生物产品时所需的原理、方法、技术及相关硬件设备的总称，指从发酵液、动植物细胞培养液、酶反应液和动植物组织细胞与体液等中提取、分离纯化、富集生物产品的过程。
2、单元操作：完成一道工序所需的一种方法和手段。
3、生物技术：即有机体的操作和应用有机体生产有用物质、改善人类生存环境的技术。
4、生物技术的目标：就是指利用培养微生物、动物细胞、植物细胞来生产对人有用的产品。
生物技术的主要目标是生物物质的高效生产，分离纯化是生物产品工程的重要环节，因此生物分离是生物技术的重要组成部分。
5、狭义生物技术的产物仅为化学产品，约有100年的历史。
6、获得产品的有效途径：原材料、预处理、生物反应、生物分离、产物7、传统发酵与现代发酵比较1.2 生物物质和生物分离1.2.1 生物物质种类繁多，包括自然界存在的各种生物资源。
现代生物技术主要通过生物反应过程生产各种物质。
现代生物技术产品的主体是蛋白质药物。
1.2.2 生物分离过程1.3生物分离的特点：A生物工程的主要特点是生物制品多种多样。
产品的多样性导致分离方法的多样性。
B绝大多数生物分离方法来源于化学品的分离方法。
C生物分离一般比化工分离难度大。
a成分复杂,固体成分包括完整有机体、培养基及底物中的不溶物，液体成分包括底物可溶物、代谢中产物及目标产物。
b悬液中的目标产物浓度低.1.4生化产品的类型：按用途分类：食品类。
保健品类。
医用类产品。
农业用产品。
生物试剂类。
按分子量大小分类：Mass < 1000D：抗生素、有机酸、aa、多肽类等Mass > 1000D：酶、抗原、抗体、多肽、蛋白质类按发酵时目的产物所在的位置分类：cell内：胰岛素、白细胞介素、干扰素、重组蛋白质cell外：抗生素（青霉素、红霉素）、胞外酶（α-淀粉酶）等2.生物分离与一般化学分离方法的比较2.1、分离过程的分类：•机械分离（离心、过滤）•传质分离（平衡分离、速率分离）▪平衡分离—萃取、吸附、沉淀、结晶、层析等▪速率分离—膜分离、电渗析、透析2.2生物产品特点：①产物浓度低的水溶液(原因：a 氧传递限制；b 细胞量; c 产物抑制②组分复杂(a 大分子; b 小分子; c 可溶物; d 不可溶物; e 化学添加物③产物稳定性差( a 化学降解(pH , 温度); b 微生物降解（酶作用，染菌）④分批操作，生物变异性大⑤质量要求高（药品或食品）2.3生物产品要求高质量：纯度、卫生、生物活性分离过程的成本占产品总投资的大部分，因此必须仔细考虑和设计产品的回收和纯化过程。
第一章-分离绪论-幻灯片(1)
3. 目的产物和其它代谢产物种类多，理化性质复杂， 很难通过单一手段将产物分离和纯化；
▪
此时生物技术在其各个主要领域都取得了长
足进步，一大批对人类十分有益的高附加值的产
品开始面世。80年代，国际上又兴起了对人类健
康有益的生理“功能因子”的研究，发现了一大
批生理功能性物质并推出了相应的产品，如低聚
糖、活性肽、高度不饱和脂肪酸等，生物技术在
深度和广度上都取得了很大的进展。
表1 国内外已商业化生产的现代生物技术产品举例
教材
教材： 生物分离工程(第二版). 孙彦 主编，化学工业出版社，2005
参考书： 生物分离原理及技术. 欧阳平凯 主编，化学工业出版社，1999
成绩：
平时成绩：20％ 期末：80％
1. 绪论
▪ 生物化工 Biochemical Engineering
生物学
化学
工程学
生物分离工程简介
▪ 生物分离技术(Bioseparation) ： 对于由自然界天然生成的或由人工经微
产品P
FW cTW , cXW
废料W
浓缩率
mT
cTP cTC
mX
c XP c XC
分离因子 mT cTP cTC
mX cXP cXC
cTP cTW
cXP cXW 平衡过程
原料C (比活AC)
A: U/mg
生物分离工程分
第一章绪论一、生物分离工程在生物技术中的地位？生物技术的主要目标是生物物质的高效生产，而分离纯化是生物产品工程的重要环节。
因此，生物分离是生物技术的重要组成部分。
生物分离工程是生物技术的下游技术，用于目标产物的提取、浓缩、纯化以及成品化。
二、生物分离工程的特点是什么？1．产品丰富，产品的多样性导致分离方法的多样性2．绝大多数生物分离方法来源于化学分离3．生物分离一般比化工分离难度大三、生物分离工程可分为几大部分，分别包括哪些单元操作？生物分离过程一般分四步：1.固-液分离（不溶物的去除）离心、过滤、细胞破碎，目的是提高产物浓度和质量2.浓缩（杂质粗分）离子交换吸附、萃取、溶剂萃取、反胶团萃取、超临界流体萃取、双水相萃取以上分离过程不具备特异性，只是进行初分，可提高产物浓度和质量。
3．纯化色谱电泳沉淀以上技术具有产物的高选择性和杂质的去除性。
4．精制结晶干燥四、在设计下游分离过程前，必须考虑哪些问题方能确保我们所设计的工艺过程最为经济、可靠？（1）产品价值（2）产品质量（3）产物在生产过程中出现的位置（4）杂质在生产过程中出现的位置（5）主要杂质独特的物化性质是什么（6）不同分离方法的技术经济比较上述问题的考虑将有助于优质、高效产物分离过程的优化。
五、生物分离效率有哪些评价指标？1.目标产品的浓缩程度——浓缩率m2．系数α回收率REC第二章细胞分离与破碎一、细胞破碎的目的意义由于有许多生化物质存在于细胞内部，必须在纯化以前将细胞破碎，使细胞壁和细胞膜受到不同程度的破坏（增大通透性）或破碎，释放其中的目标产物，然后方可进行提取。
二、细胞破碎方法的大致分类破碎方法可归纳为机械破碎法和非机械破碎法两大类，非机械破碎法又可分为化学（和生物化学）破碎法和物理破碎法。
1．机械破碎处理量大、破碎效率高速度快，是工业规模细胞破碎的主要手段。
细胞的机械破碎主要有高压匀浆、研磨、珠磨、喷雾撞击破碎和超声波破碎等。
2．化学（和生物化学）渗透破碎法（1）渗透压冲击法（休克法）（2）酶溶（酶消化）法3．物理破碎法1）冻结－融化法（亦称冻融法）（2）干燥法空气干燥法真空干燥法冷冻干燥法喷雾干燥法三、化学渗透法和机械破碎法相比有哪些优缺点？化学渗透破碎法与机械破碎法相比优点：化学渗透破碎法比机械破碎法的选择性高，胞内产物的总释放率低，特别是可有效地抑制核酸的释放，料液的粘度小，有利于后处理过程。
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生物、食品工业中，环糊精用来包接或分离一些易挥 发性的且不溶于水的呈香呈味物质(苯甲酸等) 。
二苯—18—皇冠醚-6 （孔径0.26—0.32nm ）
泡沸石的选择性吸附
皇冠醚用来选择分离一些金属离 子、氨基酸手性拆分等
泡沸石用来对气体分子选择 性吸附分离
二、下游技术中的化学反应
色谱分离 结晶
产物浓度（kg/m3） 0.1～100 1.0～5 5～50 50～200 50～200
纯度（％） 0.1～10 0.2～2.0 1～10 50～80 90～100
在“产物分离” 步骤中产物浓度提高的 程度最大；但产物纯度的提高主要在“纯 化” 步骤。
上述四个分离步骤， 可以归结为两个基本阶段： 产物初级分离阶段和纯化精制阶段。
生物产品分离过程，在生物技术工业中占有十分 重要的位置。分离决定分着产品的纯度和安全性； 决定着产品的收率和成本，分离设备投资和分离费 用在总投资和总费用占有相当大的比重。
分离方法的选择和优化，新型分离设备的研制 开发，对于生物制品的生产具有极重要的意义。
1.3 生物分离技术原理
按生物分离所依据物质性质的差异分类
1.2 生物分离一般流程
与自然界天然物料一样，用发酵和生物工程方法生产 的原始产物， 几乎都是混合物，通常都须经分离纯化处 理，才能获得终产品。
生物工程产品的多样化和特殊性导致了各式各样分离 方法的应用。不同的生物产品，由于其自身特性和对其纯 度的要求不同，对应的分离纯化路线常常不同。
对现有各类生物工程产品的分离进行分析归纳，可发 现大多数分离过程可以归并到4个步骤，即：
电渗析等膜分离，可除去物化性质与产物类似的杂质。处 理操作选择性高，可获得高纯度的产物。
4 精制和成品加工：最后的加工程序，其方法取决于产
品应用目的，最常用的有结晶和干燥。
当目的产物存在于细胞内时，还须加上细胞破碎步骤。
产物分离过程及纯度
过程 生化反应 不溶物除去 产物分离
纯化 精制
典型过程 发酵 过滤 萃取
生物分离依据 物质性质的差别
物理性质
化学性质
生物性质
(1) 物理性质
1 力学性质：溶质密度、尺寸和形状。 2 热力学性质：溶质的溶解度、挥发度、表面活性及
相间分配平衡行为等。
3 传递性质：粘度、分子扩散系数和热扩散现象等。 4 电磁性质：溶质的荷电特性、电荷分布、等电点和
磁性等。
力学 性质
重力 沉降
离心 分离
膜筛分
其他
传递性质
膜分离 溶解扩散
热扩散
Байду номын сангаас其他
泡沫分离
精馏
蒸发
结晶
热力学 性质
吸收
萃取
其他
吸附
电泳 其他
电磁性质 磁性分离
离子交换
电色谱 电渗析
(2) 化学性质
利用化学作用和化学反应，可以进行混合物的 分离。与物理作用相比，化学作用的选择性更强； 在高度选择性的精密分离中，以化学作用为机理 的分离过程占有重要地位。
用去离子水洗脱
洗脱液用中空纤维膜浓缩
除去MW10000的蛋白质
离心分离(10000g, 30min)
Sephdex G7凝胶过滤 (0.01%HAc ＋0.1mol/L NH4Ac)
冷冻干燥
酶成品
当需要从稀溶液中提取生物制品，并提纯至很高浓度 时，需采用多步分离操作。适当的分离工艺组合，有利 于降低总的分离成本；因此，产品的提取、精制过程必 须精心设计。
第01章 绪 论 目录
1.1 生物分离过程对象及其特点 1.2 生物分离一般流程 1.3 生物分离技术原理 1.4 生物分离技术的发展
化学工业
颜料：植物等提取色素 增稠剂：黄原胶 有机酸：苹果酸、柠檬酸等 溶剂产品：乙醇、丙酮－丁醇、乙二醇
食品工业
饮料：含酒精类、不含酒精类 氨基酸：谷氨酸等 酶类: 淀粉酶、糖化酶等 单细胞蛋白、酵母 乳制品加工：乳清中蛋白回收等
➢ 分离对象的不稳定性：分离对象是有生物活性的生
物大分子产品，分离过程中不恰当的物理和化学环境 等（温度、pH值、缓冲液、离子强度、有机溶剂、空 气氧化、搅拌和剪切力等），可能引起分子结构发生 改变而失活；此时，需要迅速加工，缩短停留时间。
➢ 生物安全性要求：对于治疗用基因工程产品，有着
极高的纯度和同一性要求，对其中有害杂质去除率要 求极高，对分离设备材质和分离过程中引入的分离介 质也有严格限制。
1 培养液的预处理和固-液分离：如过滤、离心分离、
重力沉降等， 主要作用是实现固液分离，而产物的浓度和 纯度仅有较小的提高。
2 产物提取：除去与目的产物性质差异较大的杂质，产
物浓度可得到相当大提高，纯度也有较大提高；如吸附、 萃取、 离子交换和蒸馏等。
3 产物纯化：常用的分离操作有色谱分离、电泳和超滤、
• 初级分离阶段：分离细胞和培养液，浓缩产物和去除
大部分杂质等。
• 纯化精制阶段：在初级分离的基础上，用各种高选择
性手段将目标产物和干扰杂质尽可能分开，使产物的纯 度达到有关的要求，最后制成可以贮存、运输和使用的 产品。
发酵液
转鼓真空过 滤机除菌体
加Ca(OH)2 至pH5.8
清液弃去 柠檬酸钙
转鼓真空过 滤除CaSO4
生物分离对象的特性
➢ 浓度低： 目标产物浓度往往比较低，悬浮液中大部
分是水。 如抗生素1—3％，酵母2—4％，酒精7—12 ％，酶 0.2—0.5％，有机酸 4—10％，维生素B12 0.002％ 。
➢ 杂质多：组分非常复杂，是含有细胞、细胞碎片、
蛋白质、核酸、脂类、糖类、无机盐等的混合物。除 目的产物之外，还有物化性质类似的多种副产物和杂 质。
阴阳离子交 活性碳脱色 换树脂处理
真空蒸 发结晶
离心分离 柠檬酸晶体 60℃干燥
成品柠檬酸
柠檬酸提取精制流程
小球核酸酶分离纯化流程
发酵液(pH8.8)
稀释，渗透膜脱盐
加HAc，调pH5.2
加SP－Sephdex C25树脂吸附
搅拌1h，静置2h
树脂装柱，通pH6.0 NH4Ac (0.3M)
弃去流出液
化学反应的选择性、化学反应的平衡和反应速 度等，则是进行选择和设计相关的生物分离过程 时往往需要考虑的问题。
一、化学性分子识别
1．伴生化学反应的萃取过程：如金属螯合萃取 2．分子间相互作用：如疏水作用和疏水色谱分离 3．分子识别：如环糊精对一些有机物的选择性包接作用， 冠醚对金属离子的识别作用等。